KR20170005964A - 다채널 초음파 변환기의 초점 위치 보정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다채널 초음파 변환기의 초점 위치 보정 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 다채널 초음파 변환기의 초점 위치 보정 방법은, 다채널 초음파 변환기의 원형으로 배열된 다수의 초음파 변환 소자를 각각 구동시켜, 각 초음파 변환 소자의 3차원 쉴리렌(Schlieren) 이미지를 각각 획득하는 단계; 획득된 각각의 3차원 쉴리렌 이미지 중 동일 원형 배열선 상의 서로 다른 초음파 변환 소자에서 획득된 3차원 쉴리렌 이미지를 상호 비교하여 초점 위치 정보를 획득하는 단계; 획득된 초점 위치 정보와 설정된 기준 초점 위치 간의 차이를 계산하는 단계; 및 초음파 초점을 형성시킬 때, 상기 계산된 초점 위치 값의 차이를 이용하여 초음파 초점 위치를 보정하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 다수의 초음파 변환 소자에 대한 3차원 쉴리렌 이미지를 각각 획득하고, 그것을 바탕으로 획득된 초점 위치 정보와 기준 초점 위치 간의 차이를 계산하여 초점 위치를 보정함으로써, 정확한 초점을 형성시킬 수 있다.

Description

다채널 초음파 변환기의 초점 위치 보정 방법{Method for calibrating focus position in multichannel ultrasonic transducer}
본 발명은 다채널 초음파 변환기의 초점 위치 보정 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 다수의 초음파 변환 소자에 대한 3차원 쉴리렌(Schlieren) 이미지를 각각 획득하고, 그것을 바탕으로 획득된 초점 위치 정보와 기준 초점 위치 간의 차이를 계산하여 초점 위치를 보정함으로써, 정확한 초점을 형성시킬 수 있는 다채널 초음파 변환기의 초점 위치 보정 방법에 관한 것이다.
쉴리렌(Schlieren) 시스템은 투명한 매질을 통과하는 초음파 빔의 가시적인 표시를 위하여 사용하는 광학 장치이다. 이와 같은 쉴리렌 시스템을 통해 얻은 쉴리렌 이미지는 다양한 분야에서 활용되고 있으나, 다채널 초음파 변환기의 캘리브레이션(calibration)에는 현재 하이드로폰(hydrophone)을 이용한 방식이 사용되고 있다.
그러나, 종래 하이드로폰을 이용한 다채널 초음파 변환기의 캘리브레이션 방식은 비교적 신뢰할만한 결과를 얻을 수는 있으나 캘리브레이션에 장시간이 소요된다는 점과, 그에 따라 비용 부담이 크다는 점 등이 문제점으로 지적되고 있다.
한편, 등록특허공보 제10-0810148호(특허문헌 1)에는 어레이 초음파 변환기의 용도, 즉 발진용, 수신용 또는 수/발신용에 따라 음향파워, 방사컨덕턴스, 음향파워 또는 방사컨덕턴스의 균일성, 음압감도의 균일성을 선택적으로 평가할 수 있는 "어레이 초음파 변환기의 성능 검사 시스템"이 개시되어 있고, 등록특허공보 제10-0927365호(특허문헌 2)에는 검사 대상물의 내부 결함 검사나 표면에 비즈(beads)를 갖는 용접부의 사각 탐상법 등을 실시할 경우에, 검사 대상물의 초음파에 의한 내부 검사의 정밀도 및 처리 속도를 향상시킬 수 있고, 동시에 검사 대상물 품질의 양호 여부를 자동 판정하는 "3차원 초음파 화상화 장치"가 개시되어 있다.
그러나, 이상과 같은 특허문헌 1, 2에 개시된 기술들에 의해서는 음향 파워 혹은 방사 컨덕턴스의 균일성을 평가하거나, 검사 대상물의 내부 결함 검사나 품질의 양호 여부를 판정할 수는 있으나, 초음파 변환기의 초점 위치를 보정하기는 어렵다.
등록특허공보 제10-0810148호(2008.02.27. 등록) 등록특허공보 제10-0927365호(2009.11.11. 등록)
본 발명은 상기와 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 다수의 초음파 변환소자에 대한 3차원 쉴리렌(Schlieren) 이미지를 각각 획득하고, 그것을 바탕으로 획득된 초점 위치 정보와 기준 초점 위치 간의 차이를 계산하여 초점 위치를 보정함으로써, 정확한 초점을 형성시킬 수 있는 다채널 초음파 변환기의 초점 위치 보정 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다채널 초음파 변환기의 초점 위치 보정 방법은,
영상 촬영을 위한 조명 광을 제공하는 광원과, 광원으로부터의 광이 통과하는 투명 매질로서의 물이 채워지는 수조와, 수조의 한쪽에 설치는 초음파 변환기와, 3D 이미지를 획득하기 위해 초음파 변환기를 고정 및 회전시키는 회전 모터와, 수조의 물을 통과하여 진행하는 광의 초점 형성을 위해 집광하여 반사시키는 오목 거울과, 오목 거울로부터의 반사광을 입사받아 영상을 촬영하는 카메라를 포함하는 3차원 쉴리렌(Schlieren) 시스템을 이용하여 다채널 초음파 변환기의 초점 위치를 보정하는 방법으로서,
a) 다채널 초음파 변환기의 원형으로 배열된 다수의 초음파 변환 소자를 각각 구동시켜, 각 초음파 변환 소자의 3차원 쉴리렌(Schlieren) 이미지를 각각 획득하는 단계;
b) 상기 획득된 각각의 3차원 쉴리렌 이미지 중 동일 원형 배열선 상의 서로 다른 초음파 변환 소자에서 획득된 3차원 쉴리렌 이미지를 상호 비교하여 초점 위치 정보를 획득하는 단계;
c) 상기 획득된 초점 위치 정보와 설정된 기준 초점 위치 간의 차이를 계산하는 단계; 및
d) 초음파 초점을 형성시킬 때, 상기 계산된 초점 위치 값의 차이를 이용하여 초음파 초점 위치를 보정하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 단계 a)에서 상기 다수의 초음파 변환 소자를 각각 구동시켜 3차원 쉴리렌 이미지를 각각 획득함에 있어서, 정밀도 1°의 회전 시스템과 컴퓨터단층촬영(Computed Tomography:CT)의 배경 투사(back projection) 알고리즘을 이용하여 3차원 쉴리렌 이미지를 획득할 수 있다.
또한, 상기 단계 a)에서 상기 다수의 초음파 변환 소자를 각각 구동시켜 3차원 쉴리렌 이미지를 각각 획득함에 있어서, 다수의 초음파 변환 소자를 한꺼번에 동시에 구동시켜 각각의 3차원 쉴리렌 이미지를 획득하거나, 다수의 초음파 변환 소자를 일정한 시간 간격을 두고 순차적으로 구동시켜 각각의 3차원 쉴리렌 이미지를 획득하는 방식이 사용될 수 있다.
또한, 상기 단계 a)에서 상기 다채널 초음파 변환기로서 32 채널의 초음파 변환기가 사용될 수 있다.
또한, 상기 단계 b)에서 상기 동일 원형 배열선 상의 서로 다른 초음파 변환 소자에서 획득된 3차원 쉴리렌 이미지를 상호 비교하여 초점 위치 정보를 획득함에 있어서, 상기 수조에 채워진 물에서의 음속(1480m/s)과 이미지상의 좌표를 이용해 도달 시간을 계산하여 동일 원형 배열선 상의 서로 다른 초음파 변환 소자끼리 도달 시간을 비교함으로써 초점 위치 정보를 획득할 수 있다.
또한, 상기 단계 d)에서 상기 계산된 초점 위치 값의 차이를 이용하여 초음파 초점 위치를 보정함에 있어서, 상기 계산된 초점 위치 값의 차이만큼 상기 기준 초점 위치 값에 가산하거나 기준 초점 위치 값에서 감산함으로써 초음파 초점 위치를 보정할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 다수의 초음파 변환 소자에 대한 3차원 쉴리렌 이미지를 각각 획득하고, 그것을 바탕으로 획득된 초점 위치 정보와 기준 초점 위치 간의 차이를 계산하여 초점 위치를 보정함으로써, 정확한 초점을 형성시킬 수 있다.
또한, 쉴리렌 이미지를 통하여 초음파 변환기에서 발생하는 음장 및 음압을 실시간으로 확인할 수 있으며, 이에 따라 실험에 사용되는 초음파 변환기의 캘리브레이션이 가능하다.
또한, 종래의 하이드로폰(hydrophone)을 이용한 캘리브레이션 방식에 비해 비교적 빠른 시간 안에 초음파 변환기의 캘리브레이션이 가능하고, 이에 따라 캘리브레이션에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 다채널 초음파 변환기의 초점 위치 보정 방법의 구현을 위해 채용되는 3차원 쉴리렌 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 초음파 변환기의 초점 위치 보정 방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 다채널 초음파 변환기의 초점 위치 보정 방법에 채용되는 다채널 초음파 변환기의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 쉴리렌 이미지의 미가공 데이터 상태와 MATLAB을 이용하여 ROI 편집한 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 3차원 쉴리렌 이미지의 단층 영상을 나타낸 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 다채널 초음파 변환기의 초점 위치 보정 방법의 구현을 위해 채용되는 3차원 쉴리렌 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 3차원 쉴리렌 시스템(100)은 영상 촬영을 위한 조명 광을 제공하는 광원(light source)(110)과, 광원(110)으로부터의 광이 투명 매질을 통과하도록, 광의 진행 경로 상에 위치되며 그 내부에는 투명 매질로서의 물이 채워지는 수조(water tank)(120)와, 수조(120)의 한쪽에 설치되며 초음파 변환기로서의 트랜스듀서(transducer)(130)와, 3D 이미지를 획득하기 위해 초음파 변환기(트랜스듀서)(130)를 고정 및 회전시키는 회전 모터(rotary motor)(140)와, 수조(120)와 일정 거리 이격되어 설치되며 수조(120)의 물을 통과하여 진행하는 광의 초점 형성을 위해 집광하여 반사시키는 오목 거울(concave mirror)(150)과, 오목 거울(150)로부터의 반사광을 입사받아 영상을 촬영하는 카메라(160)를 포함하여 구성된다. 또한, 카메라(160)의 렌즈 전방에는 초음파에 의해 굴절된 광이 카메라에 입사되지 못하도록 하기 위한 나이프 에지(knife edge)(170)가 더 설치되고, 수조(120)의 하단부에는 광의 진행 경로를 통과한 초음파를 흡수하기 위한 초음파 흡수재(ultrasonic absorber)(180)가 더 설치된다.
또한, 카메라(130)에 의해 촬영된 영상을 처리하는 영상처리부(미도시)와, 영상처리부에 의해 처리된 이미지 데이터를 비교/분석하는 제어부(마이크로프로세서)(미도시)와, 시스템에 동작 전원을 공급하는 전원공급부(미도시) 등을 더 포함한다. 여기서, 상기 영상처리부와 제어부(마이크로프로세서)는 영상처리 프로그램 및 데이터 비교/분석 프로그램이 탑재되어 있는 컴퓨터 시스템으로 대체될 수도 있다.
그러면, 이하에서는 이상과 같은 구성을 가지는 3차원 쉴리렌 시스템을 바탕으로 다채널 초음파 변환기의 초점 위치를 보정하는 방법에 대하여 설명해 보기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 초음파 변환기의 초점 위치 보정 방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 다채널 초음파 변환기의 초점 위치 보정 방법은, 먼저 다채널 초음파 변환기의 원형으로 배열된 다수의 초음파 변환 소자를 각각 구동시켜, 각 초음파 변환 소자의 3차원 쉴리렌(Schlieren) 이미지를 각각 획득한다(단계 S201). 여기서, 상기 다수의 초음파 변환 소자를 각각 구동시켜 3차원 쉴리렌 이미지를 각각 획득함에 있어서, 정밀도 1°의 회전 시스템과 컴퓨터단층촬영(Computed Tomography:CT)의 배경 투사(back projection) 알고리즘을 이용하여 3차원 쉴리렌 이미지를 획득할 수 있다. 즉, 쉴리렌 이미지를 CT의 원리를 적용하여 1축 180도 회전시켜 여러 장의 영상을 얻어 현재 조사(照射)되고 있는 초음파의 음장 영역을 3차원으로 시각화함으로써 3차원 쉴리렌 이미지를 획득하는 것이다.
또한, 상기 다수의 초음파 변환 소자를 각각 구동시켜 3차원 쉴리렌 이미지를 각각 획득함에 있어서, 다수의 초음파 변환 소자를 한꺼번에 동시에 구동시켜 각각의 3차원 쉴리렌 이미지를 획득하거나, 다수의 초음파 변환 소자를 일정한 시간 간격을 두고 순차적으로 구동시켜 각각의 3차원 쉴리렌 이미지를 획득하는 방식이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 후자의 방식이 채용된다.
또한, 상기 다채널 초음파 변환기로서, 도 3에 도시된 바와 같이 32 채널의 초음파 변환기가 사용될 수 있다. 그러나, 상기 다채널 초음파 변환기는 이에 한정되는 것은 아니며, 28 채널, 36 채널, 40채널 등 어떤 상황이나 조건에 따라 다른 종류의 다채널 초음파 변환기가 사용될 수도 있다. 도 3에서 (A)는 32 채널 초음파 변환기의 32개의 초음파 변환 소자의 설계상의 원형 배열 상태를 나타낸 것이고, (B)는 32 채널 초음파 변환기의 실제 제작 상태를 나타낸 것이다. 이때, 32개의 초음파 변환 소자는 원형으로 배열되어 있기 때문에 동일한 배열선 상에 있는 소자의 음장의 형태는 동일한 형태로 나타나는 것이 정상이다.
이렇게 하여 각 초음파 변환 소자의 3차원 쉴리렌 이미지가 각각 획득되면, 그 획득된 각각의 3차원 쉴리렌 이미지 중 동일 원형 배열선 상의 서로 다른 초음파 변환 소자에서 획득된 3차원 쉴리렌 이미지를 상호 비교하여 초점 위치 정보를 획득한다(단계 S202). 즉, 상기 수조(120)(도 1 참조)에 채워진 물에서의 음속(1480m/s)과 이미지상의 좌표를 이용해 도달 시간을 계산하여 동일 원형 배열선 상의 서로 다른 초음파 변환 소자끼리 도달 시간을 비교함으로써 초점 위치 정보를 획득하는 것이다.
그런 후, 그 획득된 초점 위치 정보와 설정된 기준(정상) 초점 위치 간의 차이를 계산한다(단계 S203). 위에서 설명한 바와 같이, 동일한 배열선 상에 있는 초음파 변환 소자의 음장의 형태는 동일한 형태로 나타나는 것이 정상이므로, 동일 원형 배열선 상의 서로 다른 초음파 변환 소자에서 획득된 3차원 쉴리렌 이미지로부터 획득된 초점 위치 정보와 미리 설정된 기준(정상) 초점 위치 간에 그 차이를 계산하는 것이다.
그런 다음, 초음파 초점을 형성시킬 때, 상기 계산된 초점 위치 값의 차이를 이용하여 초음파 초점 위치를 보정한다(단계 S204). 여기서, 이와 같이 계산된 초점 위치 값의 차이를 이용하여 초음파 초점 위치를 보정함에 있어서, 상기 계산된 초점 위치 값의 차이만큼 상기 기준(정상) 초점 위치 값에 가산하거나, 기준(정상) 초점 위치 값에서 상기 계산된 초점 위치 값의 차이만큼 감산함으로써 초음파 초점 위치를 보정할 수 있다.
한편, 도 4 및 도 5는 본 발명에 채용되는 3차원 쉴리렌 시스템에 의해 얻어진 쉴리렌 이미지를 나타낸 것으로서, 도 4의 (A)는 쉴리렌 이미지의 미가공 데이터(raw data)를 보여주는 것이고, 도 4의 (B)는 MATLAB(Matrix Laboratory)을 이용하여 ROI(region of interest) 편집한 상태를 나타낸 것이며, 도 5는 3차원 쉴리렌 이미지의 단층 영상을 나타낸 것이다. 이와 같이, 3차원 쉴리렌 이미지의 단층 영상을 획득함으로써, 상기 계산된 초점 위치 값의 차이만큼 상기 기준(정상) 초점 위치 값에 가산하거나, 기준(정상) 초점 위치 값에서 상기 계산된 초점 위치 값의 차이만큼 감산함으로써 초음파 초점 위치를 정확하게, 그리고 빠른 시간 내에 보정할 수 있게 된다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 다채널 초음파 변환기의 초점 위치 보정 방법은 다수의 초음파 변환 소자에 대한 3차원 쉴리렌 이미지를 각각 획득하고, 그것을 바탕으로 획득된 초점 위치 정보와 기준 초점 위치 간의 차이를 계산하여 초점 위치를 보정함으로써, 정확한 초점을 형성시킬 수 있다.
또한, 쉴리렌 이미지를 통하여 초음파 변환기에서 발생하는 음장 및 음압을 실시간으로 확인할 수 있으며, 이에 따라 실험에 사용되는 초음파 변환기의 캘리브레이션이 가능하다.
또한, 종래의 하이드로폰(hydrophone)을 이용한 캘리브레이션 방식에 비해 비교적 빠른 시간 안에 초음파 변환기의 캘리브레이션이 가능하고, 이에 따라 캘리브레이션에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.
이상, 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 3차원 쉴리렌 시스템
110: 광원(light source)
120: 수조(water tank)
130: 트랜스듀서(transducer)
140: 회전 모터(rotary motor)
150: 오목 거울(concave mirror)
160: 카메라
170: 나이프 에지(knife edge)
180: 초음파 흡수재(ultrasonic absorber)

Claims (6)

  1. 영상 촬영을 위한 조명 광을 제공하는 광원과, 광원으로부터의 광이 통과하는 투명 매질로서의 물이 채워지는 수조와, 수조의 한쪽에 설치는 초음파 변환기와, 3D 이미지를 획득하기 위해 초음파 변환기를 고정 및 회전시키는 회전 모터와, 수조의 물을 통과하여 진행하는 광의 초점 형성을 위해 집광하여 반사시키는 오목 거울과, 오목 거울로부터의 반사광을 입사받아 영상을 촬영하는 카메라를 포함하는 3차원 쉴리렌(Schlieren) 시스템을 이용하여 다채널 초음파 변환기의 초점 위치를 보정하는 방법으로서,
    a) 다채널 초음파 변환기의 원형으로 배열된 다수의 초음파 변환 소자를 각각 구동시켜, 각 초음파 변환 소자의 3차원 쉴리렌(Schlieren) 이미지를 각각 획득하는 단계;
    b) 상기 획득된 각각의 3차원 쉴리렌 이미지 중 동일 원형 배열선 상의 서로 다른 초음파 변환 소자에서 획득된 3차원 쉴리렌 이미지를 상호 비교하여 초점 위치 정보를 획득하는 단계;
    c) 상기 획득된 초점 위치 정보와 설정된 기준 초점 위치 간의 차이를 계산하는 단계; 및
    d) 초음파 초점을 형성시킬 때, 상기 계산된 초점 위치 값의 차이를 이용하여 초음파 초점 위치를 보정하는 단계를 포함하는 다채널 초음파 변환기의 초점 위치 보정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 a)에서 상기 다수의 초음파 변환 소자를 각각 구동시켜 3차원 쉴리렌 이미지를 각각 획득함에 있어서, 정밀도 1°의 회전 시스템과 컴퓨터단층촬영(Computed Tomography:CT)의 배경 투사(back projection) 알고리즘을 이용하여 3차원 쉴리렌 이미지를 획득하는 것을 특징으로 하는 다채널 초음파 변환기의 초점 위치 보정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계 a)에서 상기 다수의 초음파 변환 소자를 각각 구동시켜 3차원 쉴리렌 이미지를 각각 획득함에 있어서, 다수의 초음파 변환 소자를 한꺼번에 동시에 구동시켜 각각의 3차원 쉴리렌 이미지를 획득하거나, 다수의 초음파 변환 소자를 일정한 시간 간격을 두고 순차적으로 구동시켜 각각의 3차원 쉴리렌 이미지를 획득하는 것을 특징으로 하는 다채널 초음파 변환기의 초점 위치 보정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계 a)에서 상기 다채널 초음파 변환기는 32 채널의 초음파 변환기인 것을 특징으로 하는 다채널 초음파 변환기의 초점 위치 보정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계 b)에서 상기 동일 원형 배열선 상의 서로 다른 초음파 변환 소자에서 획득된 3차원 쉴리렌 이미지를 상호 비교하여 초점 위치 정보를 획득함에 있어서, 상기 수조에 채워진 물에서의 음속(1480m/s)과 이미지상의 좌표를 이용해 도달 시간을 계산하여 동일 원형 배열선 상의 서로 다른 초음파 변환 소자끼리 도달 시간을 비교함으로써 초점 위치 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 다채널 초음파 변환기의 초점 위치 보정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단계 d)에서 상기 계산된 초점 위치 값의 차이를 이용하여 초음파 초점 위치를 보정함에 있어서, 상기 계산된 초점 위치 값의 차이만큼 상기 기준 초점 위치 값에 가산하거나 기준 초점 위치 값에서 감산함으로써 초음파 초점 위치를 보정하는 것을 특징으로 하는 다채널 초음파 변환기의 초점 위치 보정 방법.
KR1020150096093A 2015-07-06 2015-07-06 다채널 초음파 변환기의 초점 위치 보정 방법 KR101731530B1 (ko)

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